鄉(xiāng)鎮(zhèn)級國土空間規(guī)劃三維展示系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)及應(yīng)用

陳路 董衛(wèi)衛(wèi)

摘要：傳統(tǒng)文件式國土空間規(guī)劃方案在展示上存在不直觀、缺少交互性及空間立體位置關(guān)系。針對該問題，文章將實景三維技術(shù)應(yīng)用于國土空間規(guī)劃，圍繞鄉(xiāng)鎮(zhèn)級國土空間規(guī)劃展示的重點內(nèi)容，從數(shù)據(jù)處理、服務(wù)發(fā)布及功能研發(fā)等方面，開展系統(tǒng)的設(shè)計與研究?；贑esium渲染引擎，構(gòu)建了鄉(xiāng)鎮(zhèn)級國土空間規(guī)劃三維展示系統(tǒng)，并開展了實地應(yīng)用，驗證了系統(tǒng)可行性和展示效果，可為實景三維技術(shù)在國土空間規(guī)劃中的應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：鄉(xiāng)鎮(zhèn)；國土空間規(guī)劃；實景三維；Cesium渲染引擎；三維展示系統(tǒng)

中圖分類號：TP311? 文獻標志碼：A文獻標志碼

0 引言

國土空間規(guī)劃是空間發(fā)展的指南和可持續(xù)發(fā)展的空間藍圖，是各類開發(fā)保護建設(shè)活動的基本依據(jù)。中共中央、國務(wù)院發(fā)布的《關(guān)于建立國土空間規(guī)劃體系并監(jiān)督實施的若干意見》將國土空間規(guī)劃體系概括為“五級三類”，即縱向建立國家級、省級、市級、縣級、鄉(xiāng)鎮(zhèn)級5級國土空間規(guī)劃，橫向建立總體規(guī)劃、詳細規(guī)劃和專項規(guī)劃3類規(guī)劃。其中，鄉(xiāng)鎮(zhèn)級國土空間規(guī)劃涵蓋全部3類規(guī)劃內(nèi)容，是鄉(xiāng)村建設(shè)規(guī)劃許可的法定依據(jù)，對落地性、實施性和管控性要求更高，更加突出土地用途和全域管控，對具體地塊的用途作出確切的安排，對各類空間要素進行有機整合，充分融合原有的土地利用規(guī)劃和村莊建設(shè)規(guī)劃［1-2］。

當(dāng)前，在鄉(xiāng)鎮(zhèn)級國土空間規(guī)劃方面，各相關(guān)部門都形成了相應(yīng)的國土空間規(guī)劃方案對國土空間規(guī)劃包含的內(nèi)容進行展示說明。然而，這些規(guī)劃方案通常是以PDF、PPT等格式文本文件展示，并以二維電子地圖制作的圖片作為輔助手段對相關(guān)內(nèi)容進行補充圖表說明。這種展示方式在規(guī)劃成果的直觀性、可交互性等方面存在數(shù)據(jù)表達相較于真實的三維空間不夠真實直觀、成果交互性較差等問題。實景三維技術(shù)作為一種新興的科技表現(xiàn)形式，近年來得到了快速的發(fā)展，被廣泛應(yīng)用于智慧城市、交通、工業(yè)、文旅等各行業(yè)領(lǐng)域。該技術(shù)具有較高的真實感和交互性。因此，本文將實景三維技術(shù)應(yīng)用于國土空間規(guī)劃領(lǐng)域，通過規(guī)劃數(shù)據(jù)的三維處理、三維展示系統(tǒng)的設(shè)計研發(fā)，充分發(fā)揮實景三維的技術(shù)優(yōu)勢，更加準確、真實地展示現(xiàn)實環(huán)境，為信息研判和空間分析提供更好的途徑［3-4］，為鄉(xiāng)鎮(zhèn)級國土空間規(guī)劃的展示提供全新的三維展示思路。

1 總體設(shè)計

本文以鄉(xiāng)鎮(zhèn)級國土空間規(guī)劃方案的重點展示內(nèi)容為依據(jù)：在準備階段，收集并處理獲得三維展示系統(tǒng)需要的數(shù)據(jù)；在研發(fā)階段，開展系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究和系統(tǒng)的設(shè)計研發(fā)；在成果驗證階段，開展應(yīng)用實例的構(gòu)建，全方面驗證系統(tǒng)的可行性和展示效果。綜上，本文的總體設(shè)計思路包含規(guī)劃三維數(shù)據(jù)處理、系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)、應(yīng)用實例3方面內(nèi)容，如圖1所示。

2 規(guī)劃數(shù)據(jù)三維處理

在鄉(xiāng)鎮(zhèn)級國土空間規(guī)劃方案中，數(shù)據(jù)以包含空間位置坐標的地理數(shù)據(jù)和用于展示規(guī)劃效果的不含空間位置坐標的示意性數(shù)據(jù)為主。此外，針對重點建筑、重要場景，在三維場景中可通過建立三維模型或是三維全景的處理方式重點展示現(xiàn)狀和規(guī)劃效果。

地理數(shù)據(jù)包括影像數(shù)據(jù)、范圍矢量數(shù)據(jù)、國土三調(diào)矢量數(shù)據(jù)、用地布局現(xiàn)狀和規(guī)劃矢量數(shù)據(jù)等，這類數(shù)據(jù)具有完備的地理位置和相應(yīng)屬性。在數(shù)據(jù)處理上，影像等數(shù)據(jù)通過切片處理后發(fā)布瓦片服務(wù)。針對矢量數(shù)據(jù)，按照數(shù)據(jù)所屬類型和國土空間規(guī)劃常用符號，經(jīng)過符號化和人工配圖相結(jié)合的方式，依據(jù)數(shù)據(jù)展示目的處理并發(fā)布為ArcGIS動態(tài)服務(wù)或GeoServer矢量瓦片服務(wù)。針對建筑等矢量數(shù)據(jù)，采用規(guī)則建模并映射通用紋理庫建筑紋理的方式處理為3dtiles格式三維模型數(shù)據(jù)。此外，也可依據(jù)建筑物的層高屬性，利用Cesium渲染引擎，實時計算動態(tài)渲染形成規(guī)則三維模型。

示意性非地理數(shù)據(jù)為jpg格式圖片數(shù)據(jù)，針對這類數(shù)據(jù)采用兩種處理方式：一種是結(jié)合現(xiàn)有矢量數(shù)據(jù)，利用ArcGIS軟件，采樣人工繪制配圖的方式形成與圖片一致的矢量數(shù)據(jù)集，并發(fā)布為ArcGIS動態(tài)服務(wù)；另一種處理方式是實時加載動態(tài)渲染的方式，針對需要重點展示的要素或數(shù)據(jù)本身為范圍示意性的展示數(shù)據(jù)，利用Cesium自定義shader的方式實現(xiàn)點、線、面等動態(tài)展示特效，依據(jù)數(shù)據(jù)的大致位置，確定繪制的實際空間坐標，通過前端控制實時顯示。

針對重要建筑和場景的現(xiàn)狀展示，采用無人機傾斜攝影測量技術(shù)獲取建筑和場景的多視角傾斜影像，再通過Smart3D等傾斜攝影建模軟件，導(dǎo)入影像及其POS數(shù)據(jù)，經(jīng)過傾斜攝影空中三角測量、多視影像密集匹配、點云數(shù)據(jù)與TIN模型構(gòu)建、紋理自動映射等步驟［5］，構(gòu)建形成最終展示的三維模型。

針對重要建筑和場景的規(guī)劃展示，以建筑和場景的范圍及結(jié)構(gòu)線為基礎(chǔ)，采用3dsmax等建模軟件通過人工精細建模的方式構(gòu)建規(guī)劃模型和場景。

3 系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)及功能設(shè)計

系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)，以Cesium開源框架為三維場景的渲染引擎［6-7］，設(shè)計包括運行支撐層、數(shù)據(jù)層、展示層3部分，如圖2所示。其中，運行支撐層包括運行前端系統(tǒng)和后端服務(wù)的Web服務(wù)器、Cesium三維場景渲染引擎及支撐矢量、柵格等數(shù)據(jù)的GIS服務(wù)器。數(shù)據(jù)層為鄉(xiāng)鎮(zhèn)級國土空間規(guī)劃展示內(nèi)容的數(shù)據(jù)，主要為影像、地形等基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)，區(qū)位、交通、規(guī)劃范圍等背景數(shù)據(jù)、產(chǎn)業(yè)規(guī)劃數(shù)據(jù)、三線統(tǒng)籌、用地布局及支撐體系數(shù)據(jù)。展示層為鄉(xiāng)鎮(zhèn)級國土空間規(guī)劃的Web端三維可視化展示及設(shè)計實現(xiàn)的各項功能。

鄉(xiāng)鎮(zhèn)級國土空間規(guī)劃更加突出土地用途和全域管控，對具體地塊的用途作出確切的安排，相關(guān)規(guī)劃方案的主要內(nèi)容可概括為現(xiàn)狀分析、規(guī)劃定位、產(chǎn)業(yè)策劃、三線統(tǒng)籌、用地布局、支撐體系6個部分。系統(tǒng)為體現(xiàn)上述6項重點內(nèi)容，設(shè)計包含圖層管理、規(guī)劃定位、航拍全景、對比分析、數(shù)據(jù)查詢、空間分析、測量工具、場景工具8個功能模塊。

（1）圖層管理對處理后的各類規(guī)劃數(shù)據(jù)服務(wù)資源進行統(tǒng)一管理，有序地組織并動態(tài)展示現(xiàn)狀數(shù)據(jù)、三線統(tǒng)籌、用地布局、支撐體系等內(nèi)容。

（2）規(guī)劃定位功能對應(yīng)方案的規(guī)劃定位內(nèi)容，主要展示各鄉(xiāng)鎮(zhèn)國土空間規(guī)劃的區(qū)域格局、目標愿景等總體定位內(nèi)容。

（3）航拍全景影像功能用于輔助展示鄉(xiāng)鎮(zhèn)特色全景，對現(xiàn)狀的展示更加直觀寫實。

（4）對比分析功能主要實現(xiàn)對用地布局現(xiàn)狀數(shù)據(jù)和規(guī)劃數(shù)據(jù)的對比，采用分屏對比的方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)的對比，突出顯示現(xiàn)狀和規(guī)劃的用地布局差異。

（5）數(shù)據(jù)查詢用于查詢用地數(shù)據(jù)的圖形及屬性信息，方便領(lǐng)導(dǎo)更加翔實細致地掌握相關(guān)數(shù)據(jù)的詳細內(nèi)容。

（6）空間分析、測量工具、場景工具為輔助進行規(guī)劃展示的常用三維空間分析及量測功能。

3.2 系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)

系統(tǒng)通過設(shè)計上述功能模塊，基于三維場景渲染引擎重點展示鄉(xiāng)鎮(zhèn)級國土空間規(guī)劃方案的主要內(nèi)容。在系統(tǒng)的構(gòu)建過程中，從規(guī)劃的展示效果和效率出發(fā)，重點實現(xiàn)了國土空間海量矢量數(shù)據(jù)在線調(diào)度及自動三維動態(tài)單體化技術(shù)。

海量矢量數(shù)據(jù)在傳統(tǒng)組織模式中，面向在線地圖發(fā)布會進行瓦片切片處理，在后端對矢量進行符號化和柵格化處理，前端得到的僅是柵格數(shù)據(jù)，已經(jīng)丟失了數(shù)據(jù)本身的對象語義信息。因此，本文在海量矢量數(shù)據(jù)在線調(diào)度方面使用矢量切片技術(shù)，直接將矢量數(shù)據(jù)分級切割為GeoJSON切片單元，整體流程如圖3所示，解決了任意體量矢量數(shù)據(jù)的在線靈活調(diào)度和友好解析的問題，滿足前端自定義渲染對于矢量數(shù)據(jù)的需求。

（1）對GeoServer進行設(shè)置，添加切片的坐標系為2000國家大地坐標系、切片的范圍為全球范圍以及切片級別為0～21級，GeoServer利用GeoJSON-vt擴展庫實現(xiàn)將矢量數(shù)據(jù)按照GeoJSON的格式進行切片以及發(fā)布。

（2）設(shè)置數(shù)據(jù)默認發(fā)布的格式，將切片相關(guān)格式添加到數(shù)據(jù)默認發(fā)布的格式中，使GeoServer發(fā)布的矢量數(shù)據(jù)能夠默認進行切片。

（3）通過對GeoServer的接口進行整合、封裝，結(jié)合三維場景引擎數(shù)據(jù)管理的接口封裝，形成數(shù)據(jù)管理服務(wù)供系統(tǒng)調(diào)用。

（4）通過對數(shù)據(jù)管理服務(wù)的調(diào)用實現(xiàn)對GeoServer的操作，主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)布功能，結(jié)合對GeoServer的設(shè)置實現(xiàn)數(shù)據(jù)矢量切片。

前端矢量切片調(diào)度方式為：使用預(yù)定的方式通過接口請求獲取圖層配置信息，主要包括圖層范圍、樣式配置地址、其他信息。圖層勾選時，綁定三維場景的視角移動結(jié)束事件，視角移動之后根據(jù)視角范圍，計算出當(dāng)前視角內(nèi)的切片編號。為避免重復(fù)加載對切片編號進行篩選，將需要刪除切片和需要添加切片分離出來，在對新添加的對象異步請求的同時，對不需要的切片進行刪除。當(dāng)添加切片請求完成時，對請求結(jié)果進行篩選、設(shè)置樣式等操作之后進行創(chuàng)建、存儲。

面對無人機采集構(gòu)建的傾斜模型“一張皮”缺乏單體對象信息的問題。本文將單體化分割問題作為一種三維符號化的特殊形式，基于Cesium所內(nèi)置的Primitive基類，實現(xiàn)了以自定義編寫GLSL Shader邏輯為核心的三維實時單體化分割機制，整體流程如圖4所示。

（1）對于數(shù)據(jù)調(diào)度獲取的每塊矢量瓦片單元，先以圖元為單位拆解出內(nèi)部包含的幾何對象，構(gòu)建為基礎(chǔ)二維幾何圖元。

（2）提取圖層樣式配置信息，提取是否進行單體化計算、三維單體化底面高度屬性字段、頂面高度屬性字段等必要樣式信息。

（3）基于圖元本身的三維空間位置信息，結(jié)合樣式，提取圖元屬性，構(gòu)建三維幾何圖元。

（4）建立自定義Primitive繪制對象：為確保海量數(shù)據(jù)渲染效率，對圖元進行合并處理；構(gòu)造GLSL Shader與JavaScript間基于圖元唯一鍵的關(guān)聯(lián)關(guān)系，支撐對象屬性拾取；進行實例著色屬性賦值，支撐基于屬性的對象單體化著色。

（5）基于編寫的自定義GLSL Shader頂點著色器腳本和片元著色器腳本，實現(xiàn)瀏覽器渲染管線下的動態(tài)單體化效果渲染。

（6）可對自定義Primitive進行實現(xiàn)對象拾取，并基于唯一鍵關(guān)聯(lián)信息通過矢量查詢服務(wù)進行詳細屬性查詢。

4 應(yīng)用實例

系統(tǒng)應(yīng)用在江蘇省某鄉(xiāng)鎮(zhèn)的國土空間規(guī)劃方案展示中，對該鎮(zhèn)規(guī)劃的各類數(shù)據(jù)依據(jù)文中的方法進行處理并發(fā)布地圖服務(wù)，展示系統(tǒng)通過Web服務(wù)器nginx發(fā)布服務(wù)，用戶使用兼容HTML5的瀏覽器打開服務(wù)URL地址進入系統(tǒng)，系統(tǒng)的主要功能應(yīng)用情況如下。

4.1 系統(tǒng)的主界面

包含三維渲染窗口、標題、8個模塊的按鈕菜單及圖層樹。渲染窗口展示了規(guī)劃的區(qū)劃范圍及鄉(xiāng)鎮(zhèn)包含的各行政村范圍和名稱（見圖5）。

4.2 航拍全景影像功能

點擊航拍全景按鈕后，三維主窗口將顯示所有的航拍位置點，點擊任意圖標點將彈出全景展示的窗口，在窗口中任意移動鼠標可查看不同角度的全景情況。

4.3 雙屏對比功能

通過雙屏分別展示當(dāng)前鄉(xiāng)鎮(zhèn)的土地利用現(xiàn)狀和規(guī)劃，能夠更加直觀地對比土地利用的變化情況（見圖6）。

4.4 數(shù)據(jù)查詢功能

圖層選擇大類，類型選擇框?qū)⑦^濾顯示大類包含的小類，查詢后表格顯示該小類的全部數(shù)據(jù)，通過點擊表格行將定位并高亮閃爍對應(yīng)的圖形數(shù)據(jù)，可點擊圖形彈窗顯示該圖形的全部屬性（見圖7）。

5 結(jié)語

本文分析鄉(xiāng)鎮(zhèn)級國土空間規(guī)劃方案重點展示內(nèi)容，從數(shù)據(jù)處理、服務(wù)發(fā)布、功能研發(fā)及關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)等方面，基于Cesium開源框架開展鄉(xiāng)鎮(zhèn)級國土空間規(guī)劃三維展示系統(tǒng)的研發(fā)，并應(yīng)用在江蘇省某鄉(xiāng)鎮(zhèn)的國土空間規(guī)劃展示中，通過應(yīng)用的實施，驗證系統(tǒng)的各項功能及三維展示效果。應(yīng)用成果表明，實景三維技術(shù)能夠有效提升國土空間規(guī)劃的表達效果，為實景三維技術(shù)在國土空間規(guī)劃中的應(yīng)用提供可行的思路。

參考文獻

［1］彭震偉，張立，董舒婷，等.鄉(xiāng)鎮(zhèn)級國土空間總體規(guī)劃的必要性、定位與重點內(nèi)容［J］.城市規(guī)劃學(xué)刊，2020（1）：31-36.

［2］邱宇飛，孔令蘇.基于“多規(guī)合一”的國土空間規(guī)劃體系探析［J］.現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2020（10）：260，263.

［3］牛強，湯曦，盧相一，等.三維環(huán)境下的國土空間規(guī)劃初探［J］.城市規(guī)劃，2019（6）：37-46.

［4］仇巍巍，陳從喜，項家鈾，等.三維GIS在國土空間規(guī)劃中的應(yīng)用綜述［J］.自然資源信息化，2022（2）：28-33.

［5］白陽，萬魯河.基于無人機傾斜攝影測量實景三維模型構(gòu)建方法［J］.哈爾濱師范大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報，2017（5）：81-86.

［6］徐瑞.基于WebGL的三維GIS在城市規(guī)劃中的應(yīng)用研究［D］.武漢：武漢大學(xué)，2018.

［7］李小敏.WebGIS三維實景地圖在城市規(guī)劃管理中的應(yīng)用研究［D］.西安：西安科技大學(xué)，2019.

（編輯 何 琳）

Design and implementation and application of a three-dimensional display system for township-level land spatial planning

CHEN? Lu， DONG? Weiwei

（Jiangsu Province Surveying and Mapping Bureau， Nanjing 210019， China）

Abstract： The project of traditional spatial planning lacks intuitiveness， interactivity， and spatial positional relationships in its display. In response to this issue， this article applies technology of 3D real scene to land spatial planning. Focusing on the important contents displayed in land spatial planning of township-level， the system design and research are carried out from the aspects of data processing， service publication， and functional research and development. Based on the rendering engine of Cesium， a three-dimensional display system for township-level land spatial planning was constructed and applied in the field， verifying the feasibility and display effect of the system. Achievements can provide reference for the application of 3D real scene in land spatial planning.

Key words： township; land spatial planning; 3D real scene; rendering engine of Cesium; the three-dimensional display system

作者簡介：陳路（1983— ），男，高級工程師，學(xué)士；研究方向：省級基礎(chǔ)測繪及國土空間規(guī)劃的研究與應(yīng)用。